1、 ICS 35.240 L 67 MH 中华人民共和国民用航空行业标准 MH/T 90052013 燃油箱可燃性分析方法指南 Guide of fuel tank flammability assessment method 2013-03-13 发布 2013-06-01 实施中国民用航空局 发布MH/T 90052013 I 目 次 前 言 . . II 引 言 . . III 1 范围 . . 1 2 术语和定义 . . 1 3 方法概述 . . 2 4 模型概述 . . 2 5 模型工作表 . . 5 6 模型的使用 . . 6 7 用户可更改代码 . . 20 8 代码更改 的归档和
2、验证 . . 21 MH/T 90052013 II 前 言 本标准按照GB/T 1.12009给出的规则起草。 本标准由中国民用航空局航空器适航审定司提出。 本标准由中国民用航空局航空器适航审定司批准立项。 本标准由中国民航科学技术研究院归口。 本标准起草单位：中国民用航空上海航空器适航审定中心。 本标准主要起草人：李新、张海涛、董稼轩、韩冰冰、刘春阳。 MH/T 90052013 III 引 言 燃油箱可燃性分析方法（FTFAM）是一个计算机模型，可作为一种比较分析工具用来辅助确定某一特定机型整个机队的燃油箱空余空间的潜在可燃暴露水平。为达到这个目标，模型模拟了大量航段，对于航段的每个时间
3、段将总体燃油平均温度（按体积计算的）与可燃性下限（LFL）和可燃性上限（UFL）进行对比。当总体燃油平均温度高于可燃性下限（LFL）并且低于可燃性上限（UFL），燃油蒸汽被认为是可燃的。 模型使用Monte-Carlo统计方法确定计算所需的未知变量。Monte-Carlo分析是运输类飞机适航标准(CCAR-25-R4)附录N中规定的分析方法，是作为评估燃油箱的机队平均可燃性暴露的符合性方法。模型随机选择基于运输类飞机适航标准(CCAR-2 5-R4)附录N的标准分布变量，并能确保分布的准确性（相对真实分布而言）。这些随机数方法被用来确定燃油闪点温度、航段长度、和巡航大气温度。Monte-Car
4、lo理论认为，通过进行足够大数量计算产生随机数，可将与概率计算相关的误差降至最低。 此模型是作为工程工具来开发的，在开发过程中并没有遵循传统的程序编写规则，但是模型中代码的编写便于工程人员理解和掌握其中的计算和理论。本指南用于指导用户如何使用模型。 MH/T 90052013 1 燃油箱可燃性分析方法指南 1 范围 本标准规定了用于民用航空运输类飞机燃油箱可燃性分析的模型和模型的使用方法。 本标准适用于民用航空运输类飞机燃油箱可燃性分析。 2 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。 2.1 总体燃油平均温度 bulk ave rage fuel temperature 燃油箱内或燃油箱不同区
5、域（如果油箱被隔板或隔舱分隔）的燃油平均温度。 2.2 可燃性暴露评估时间 flammability exposure evaluation time FEET 从飞机航前准备开始，历经飞行和着陆，直至所有商载卸下、所有旅客和机组人员离开飞机的这一段时间。 注： 在Monte-Carlo分析程序中，飞行时间从航段距离分布表（表2）中随机选取，航前时间为飞行时间的函数，航后时间固定为30 min。 2.3 惰性化 inerting 将不可燃气体注入燃油箱内的空余空间，使之变得不可燃的过程。 2.4 可燃的 flammable 燃油箱处于没有被惰性化且燃油箱内总体燃油平均温度在所使用燃油的可燃范围
6、内时的状态。 2.5 空余空间 ullage 燃油箱内未被液体燃油占据的容积部分。 2.6 机队平均可燃性暴露 fleet aver age flammability exposure 在规定的环境条件和燃油特性下，一个机型的机队在全世界范围内运行的各个航段距离范围上，每个燃油箱的空余空间处于可燃状态的时间占可燃性暴露评估时间的比例。 MH/T 90052013 2 3 方法概述 燃油箱可燃性分析方法（FTFAM）在大量航段基础上，针对部分未知变量的已知分布，采用Monte-Carlo统计方法来生成可燃性数据。用户使用燃油箱可燃性分析方法（FTFAM）在反复计算每个飞行航段，输入相关参数的基础
7、上，计算出每个航段的可燃暴露时间。通过对大量航段可燃暴露时间的计算，可以产生在统计学上可靠的可燃暴露水平数据。用户可以对任何类型的飞机燃油箱（机身油箱、机翼油箱、辅助油箱等）完成这些计算，无论油箱是否采取了降低可燃性措施。 4 模型概述 模型中采用的Monte-Carlo方法使用取自标准范围的随机数生成技术来作为一些变量的输入。对于多变量问题，则通过大量的数值计算来得到平均结果或结果的范围。 在图1所示的分析流程图中，求解燃油箱可燃性暴露水平主要涉及燃油箱外界环境、航段任务数据、燃油特性和燃油箱热特性四个部分。当此四部分被确定后，模型根据用户输入和Monte-Carlo计算可以确定燃油箱空余空
8、间在每航段中的各时间段是否可燃，从而得出在每航段中燃油箱可燃的时间百分比。通过大量航段的迭代计算，可给出该特定机型的机队平均可燃暴露水平。关于模型中主要计算模块的简化流程图见图2，关于此流程图的扩展，即所有用户输入参数和模型的预处理，见6.2.1 。 注1： 对于采用了会显著影响各燃油箱热特性的复杂燃油转输特征或其他设计特征的飞机，模型不具备分析这些影响的能力，但可用于对传统的非加热铝制机翼燃油箱进行定性的可燃性分析。关于如何进行定性的可燃性分析并确定其是否适用于所评估燃油箱的指导参见AC 25.981-2A。 注2： 模型基于Microsoft Excel 2000、Microsoft Ex
9、cel XP和Microsoft Excel 200 3在Microsoft Windows 2000和Microsoft Windows XP操作系统上运行。 MH/T 90052013 3 确 定 燃 油 箱 可 燃 暴 露 水 平外 界 环 境 任 务 数 据 燃 油 特 性 燃 油 箱 热 特 性空 气 总 温由 Monte-Carlo方 法 计 算环 境 温 度 外 界 气 压 航 程发 动 机 数 燃 油 管 理 马 赫 数 闪 点 温 度 温 差 时 间 常 数由 Monte-Carlo方 法 计 算由 模 型 计 算 用 户 输 入由 Monte-Carlo方 法 计 算用 户
10、 输 入 用 户 输 入用 Monte-Carlo方 法 计 算用 户 输 入 用 户 输 入图1 Monte-Carlo 分析和输入主要模块 MH/T 90052013 4 开始运行航段计算若 TambOAT limit, 则令 Tamb=OAT limit确定大气环境确定航段（任务剖面）以 1 min 为步长计算燃油温度空余空间是否可燃？（是 /否）FRM是否工作？（是 /否）保存航段信息（包括可燃性数据）确定机队平均可燃暴露水平并显示结果执行航段飞行航段结束所有航段结束运算下一航段运算下一分钟OAT: 外界空气温度Tamb: 环境温度FRM: 降低可燃性方法图2 Monte-Carlo
11、分析计算流程图 MH/T 90052013 5 5 模型工作表 5.1 工作表分类 本模型由若干独立的工作表组成，分类见表1。由于一些工作表可能执行多种功能，因此可能出现在不止一种类别中。 表1 模型工作表类别 说明类 数据输入类 计算类 结果类 介绍 用户输入和结果 降低可燃性方法（ FRM）多航段概要 内部计算 内部计算 2 内部计算 3 内部计算 4 用户输入和结果 降低可燃性方法（ FRM）算例概要 在所有的工作表中，黄色的单元格为用户输入单元格。除非民用航空主管部门批准，用户不应更改任何非黄色的单元格。 5.2 介绍工作表 介绍工作表用于简要介绍模型的用途及一些使用说明和限制。 5.
12、3 用户输入和结果工作表 用户输入和结果工作表是FTFAM的主界面， 包含了进行Monte-Carlo可燃性分析的所有必要的用户输入和分析结果。该工作表上的用户输入分为六类，见6.2.1。Monte-Carlo分析的结果将在该工作表中用图表的形式显示燃油箱在每一任务时段可燃时间的百分比。 5.4 降低可燃性方法(FRM)工作表 FRM工作表只有在进行FRM分析时才需要用到。用户可使用FRM 工作表来评估FRM的有效性。FRM的有效性被分为可靠性和性能参数。FRM分析的结果以多种不同表格的形式显示，见6.5.2。 5.5 单次航段工作表 单次航段工作表允许用户模拟和分析特定航段情景。 用户可以输
13、入特定航段时间和温度数据或输入Monte-Carlo分析中的航段号来分析该单次航段情景，其结果以两个图表的形式显示。当进行Monte-Carlo分析时，这些图表曲线表示的是上一航段的结果。 5.6 多航段概要工作表 多航段概要工作表以表格的形式显示各航段结果，以燃油箱可燃时间占航段时间百分比排序。该表格既包括飞行前地面时间、航段时间和各航段 特定温度，还包括燃油箱可燃时间、FRM保持空余空间惰性化的总时间和这两者与总飞行时间的百分比。 5.7 内部计算工作表 MH/T 90052013 6 模型中共有四个内部计算工作表，包括模型需要处理的所有关键信息。所有输入数据、计算值和计算结果都存储在这四
14、个内部计算工作表中供程序调用。所有有关的数据将被复制到其他工作表以 “用户友好”的形式显示。内部计算工作表只供模型使用，用户不应以任何形式对其进行修改，且仅供用户排故时使用。 6 模型的使用 6.1 概述 对模型进行一般操作的主界面是用户输入和结果工作表。 这个工作表包含了所有输入单元格和多个显示大部分计算结果的单元格。模型所有工作表中的单元格，按其不同用途，使用不同的背景颜色。浅蓝色的单元格表示计算结果，绿色的单元格可用鼠标左击进行相应操作。 6.2 Monte-Carlo 分析用户输入 6.2.1 用户输入概述 图3为FTFAM的主要计算流程图，包括FRM计算和每个用户输入的使用。 当Mo
15、nte-Carlo分析没有采用FRM时，用户输入分为以下六类： 飞机数据； 航段数据； 燃油箱使用数据； 机身油箱输入数据； 燃油箱热特性数据； 多航段 Monte-Carlo 数据。 在用户输入和结果工作表中有与以上六类用户输入对应的六个输入框，如图4所示。 MH/T 90052013 7 输入类别 用户输入 处理 主计算流程将运行的航段号OAT limit（ AFM限制）null飞机最大航程null发动机数量null马赫数null阶跃高度null油箱满油 /空时间null发动机起动时间null油箱是否在机身内且无冷却？null油箱是否增压？null压差null油箱增压开始时间null隔舱温
16、度null温差null指数时间常数nullMTBFnull失效探测能力nullMEL用户根据特定 FRM提供代码航段数量飞机数据飞行数据燃油箱使用数据机身油箱数据燃油箱热特性FRM可靠性数据FRM性能数据生成 Tamb和Tcrz（随机生成）生成航程分布；阶梯爬升逻辑运算确定油箱热特性生成燃油闪点（随机生成）；建立可燃性包线确定 FRM在航段中是否功能正常确定 FRM是否能维持空余空间不可燃航段 1到 N(运算所有航段 )若 TambOAT limit, 则令 Tamb=OAT limit确定大气环境确定航段（任务剖面）以 1 min为步长计算燃油温度空余空间是否可燃？（是 /否）FRM是否工作
17、？（是 /否）保存航段信息（包括可燃性数据）确定机队平均可燃暴露水平并显示结果执行航段飞行航段结束所有航段结束OAT: 外界空气温度AFM: 飞机飞行手册Tamb: 环境温度MTBF: 平均失效间隔Tcrz: 巡航温度 MEL: 最小设备清单运算下一航段运算下一分钟图3 Monte-Carlo 模型运行流程图（含 FRM 计算） MH/T 90052013 8 飞机数据 最大航程 海里 发动机数量 最长飞行时间 = 分钟 OAT 限制（AFM 限制） OAT 限制 = 华氏度 a) 航段数据 冲压恢复 巡航马赫数 % 总压 阶梯巡航高度 英尺 英尺 英尺 b) 燃油箱使用数据 燃油箱于着陆前
18、分钟前任何时间都为满 燃油箱于着陆前 分钟后任何时间都为空 发动机或设备在起飞前 起动 c) 机身油箱数据输入 若无机身油箱则将下列数值全部置零 机身油箱是否从外部大气获得冷却 1=是 , 0=否 油箱是否在飞行中被增压 1=是 , 0=否 与外界大气压差 psi 油箱于起飞前 分钟被增压 油箱周围隔舱温度 华氏度 d) 燃油箱热特性数据 假设燃油在外界温度条件下被装载 燃油箱常数 , 地面条件 : 发动机不工作 发动机工作 平衡温差 华氏度 指数时间常数 -油箱接近空 分钟 指数时间常数 -油箱接近满 分钟 燃油箱常数 , 飞行条件 : 平衡温差 华氏度 指数时间常数 -油箱接近空 分钟 指
19、数时间常数 -油箱接近满 分钟 e) 图4 用户输入和结果工作表的 6 个数据框 MH/T 90052013 9 多航段 -Monte-Carlo: 航段数量 冻结随机数 1=是 , 0=否航段数量 仅温暖天分析？ 1=是 , 0=否f) 图4 (续) 6.2.2 飞机数据框(见图 4a) 6.2.2.1 飞机最大航程 飞机最大航程和其将要执行的航段数（6.2.7.1）被模型用来决定任务分布。 示例： 图 5 表示的是一个最大航程为 4 500 n mile 且总航班数量为 100 000 次的样本飞机任务分布情况。这些分布数据作为航程被模型随机分配给各已生成的航段，其可保持整体航班数据分布的
20、准确性。 图5 最大航程为 4 500 n mile 且总航班数为 100 000 次的任务分布 在这里作为输入值的最大航程是指飞行器正常运行时的最大航程,而不是在飞行器没有载重时的绝对最大航程。最大航程与巡航马赫数（见6.2.3 .1）共同决定最长飞行时间。飞行时间同样在用户输入和结果工作表的飞机数据框中显示。 为了表现出某次特定航段总的任务剖面，应在随机选择的航段的地面时间中加入航前和航后时间。航前的地面时间按航程的长短分别被模型设定为：30 min（短航段， 航段时间小于3 h）、45 min（中航段，航段时间在3 h4 h）和90 m in（长航段，航段时间大于4 h）。对所有航段而言
21、，航后地面时间均设定为30 min。模型所模拟的航段时间不应小于15 min。 MH/T 90052013 10 6.2.2.2 发动机数量 模型根据发动机数量和单个航程来决定飞机在单次航段中爬升至巡航高度所需时间，见表2。模型随后使用此时间和巡航高度来决定各航段的爬升率。 表2 基于航程和发动机数量飞机爬升至巡航高度所需时间 单位为分 飞机爬升至巡航高度所需时间 发动机数量 10 Then FRMyesno = 1 End If 当使用氮气惰性化系统作为FRM时，在进行可燃性分析时应考虑到氧气从燃油中析出的问题。 当考虑空气从燃油中析出的问题时，应先考虑有多少空气溶解在燃油中，什么使它们溶解
22、，什么使它们析出。溶解在燃油中的空气在其局部压力等于空余空间的局部压力时开始析出。Ostwald系数定义了燃油中能够溶解多少（数量）气体从而达到平衡，此系数是随温度而改变的。当气体溶解在燃油中，它会始终溶解于燃油中直到空余空间局部压力发生变化，燃油的表面张力帮助气体溶解于燃油中，这将MH/T 90052013 21 导致燃油中气体过饱和，即溶解在燃油中气体的局部压力显著高于空余空间局部压力，破坏燃油表面张力，使得大量气体从燃油中快速释放。 此问题可通过确定氧气在空余空间和燃油中的局部压力来解决。 假设燃油在起飞开始时是完全饱和的，再假设氧气释放或溶解是由两个局部压力的差来决定的，并且有一些指数
23、质量转移时间常数来维持平衡。对于过饱和的情况，其氧气浓度没有与空余空间中的达成平衡，还因气体继续溶解于燃油而继续增加，直到达到某一特定压差。 用户应假设在正常大气条件下加油为完全饱和 （即燃油中溶解的空气含氧21%，且氧气没有被提前过滤）。在静态且没有高度变化的状态下，气体转移使用的时间常数为3 500 min。对于爬升状态下，直到15 000 ft高度没有 氧气从燃油中析出的情况发生，在爬升的剩余部分时间常数为100 min。 8 代码更改的归档和验证 模型代码的更改应归档，并通过详细分析和飞行试验数据予以验证。更改的代码应准确表达飞机系统及与周边环境的相互作用。关于燃油箱热力学模型和其他更改代码归档和验证的指导材料参见AC 25.981-2A。 _
